PL213291B1 - Method for graphene preparation - Google Patents

Method for graphene preparation

Info

Publication number
PL213291B1
PL213291B1 PL391416A PL39141610A PL213291B1 PL 213291 B1 PL213291 B1 PL 213291B1 PL 391416 A PL391416 A PL 391416A PL 39141610 A PL39141610 A PL 39141610A PL 213291 B1 PL213291 B1 PL 213291B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
substrate
inert gas
reactor
flow
graphene
Prior art date
Application number
PL391416A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL391416A1 (en
Inventor
Wlodzimierz Strupinski
Original Assignee
Inst Tech Material Elekt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Tech Material Elekt filed Critical Inst Tech Material Elekt
Priority to PL391416A priority Critical patent/PL213291B1/en
Priority to JP2011121274A priority patent/JP5662249B2/en
Priority to KR20127031787A priority patent/KR101465452B1/en
Priority to PCT/PL2011/050023 priority patent/WO2011155858A2/en
Priority to CN201180027996.XA priority patent/CN102933491B/en
Priority to EP11168749.7A priority patent/EP2392547B1/en
Priority to DK11168749.7T priority patent/DK2392547T3/en
Priority to US13/154,920 priority patent/US9067796B2/en
Publication of PL391416A1 publication Critical patent/PL391416A1/en
Publication of PL213291B1 publication Critical patent/PL213291B1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/184Preparation
    • C01B32/186Preparation by chemical vapour deposition [CVD]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/184Preparation
    • C01B32/188Preparation by epitaxial growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/025Continuous growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania grafenu poprzez jego epitaksję z fazy gazowej na podłożu posiadającym powierzchnię z SiC, charakteryzujący się tym, że proces sublimacji krzemu z podłoża kontroluje się za pomocą przepływu gazu, obojętnego (10) przez reaktor epitaksjalny. Wynalazek obejmuje także grafen otrzymany tym sposobem.The subject of the invention is a method of producing graphene by epitaxing it from the gas phase on a substrate having a SiC surface, characterized in that the process of sublimation of silicon from the substrate is controlled by means of an inert gas flow (10) through an epitaxial reactor. The invention also includes graphene obtained by this method.

Description

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania grafenu. Bardziej szczegółowo, wynalazek obejmuje metodę wytwarzania grafenu na podłożu posiadającym powierzchnię z SiC, w reaktorze epitaksjalnym, w warunkach temperatury wyższej niż 1100°C i przy ciśnieniu gazu obojętnego wynoszącym od 10-2Pa do ciśnienia atmosferycznego, poprzez jego osadzanie na podłożu, a także sposób kontrolowania wzrostu i zarodkowania w takiej metodzie.The invention relates to a method of producing graphene. More specifically, the invention comprises a method of producing graphene on a substrate having a SiC surface in an epitaxial reactor at a temperature greater than 1100 ° C and an inert gas pressure of 10-2 Pa to atmospheric pressure by depositing it on the substrate, and a method of controlling growth and nucleation in such a method.

Grafen to dwuwymiarowa, płaska forma węgla o heksagonalnym ułożeniu atomów [K.S.Novoselov, et al. Science 306,666 (2004), A. K Geim, K.S. Novoselov, Nat. Mat. 6 (2007) 183, YB.Zhang, Y.W.Tan, H.L.Stormer, and P. Kim, Nature 438, 201 (2005)]. Elektrony w grafenie posiadają liniową zależność energii od pędu krystalicznego i zachowują się jak relatywistyczne cząstki o masie zero. Struktura grafenu, charakteryzująca się tzw. ułożeniem atomów w „plaster miodu” posiada dwa atomy w komórce elementarnej. Wiązania występujące pomiędzy atomami węgla są typu σ (hybrydyzacja sp2), a najniższe pasmo przewodnictwa i najwyższe pasmo walencyjne stworzone jest ze stanów rezonansowych typu π. Strefa Brillouina jest heksagonem, w którego sześciu narożach pojawia się liniowa zależność energii od wektora falowego elektronu k, zarówno dla elektronów jak i dziur oraz zerowa przerwa energetyczna. Z tego powodu grafen ma charakterystykę semi-metalu. Z liniowej zależności energii elektronu od wektora falowego, takiej jak dla fotonu, wynika zerowa masa efektywna elektronów i dziur. Opis takiego zachowania elektronów i dziur wymaga, w miejsce równania Schroedingera, zastosowania równania Diraca dla relatywistycznej cząstki o spinie ½ i o masie równej zero. Liczne doświadczenia z ostatnich lat potwierdziły, że elektrony w grafenie zachowują się jak fermiony Diraca, charakteryzując się anomalnym kwantowym efektem Hall'a, a transport w grafenie ma charakter balistyczny [M.L. Sadowski, G.Martinez, M.Potemski, C.Berger, and W.A. de Heer, Phys. Rev. Lett. 97, 266405 (2006, D.L.Miller, K.D.Kubista, G.M.Rutter, et al., Science 324, 924 (2009)]. Niezwykłe elektronowe własności grafenu oraz jego wysoka stabilność chemiczna, czynią go bardzo atrakcyjnym dla przyszłej elektroniki [Novoselov K.S., Geim A.K., Nature Materials 6, 183 (2007)]. Ruchliwości nośników w grafenie są bardzo wysokie, rzędu 200000 cm2/Vs, czyli o przeszło rząd wielkości większe niż w tranzystorach krzemowych [Lin Y.M. et al., Science 327, 662 (2010)]. Zapewnia to balistyczny transport na odległości rzędu wielu mikrometrów. Dodatkowo, gęstość prądu w grafenie jest ponad 100 razy wyższa niż w miedzi (108 A/cm2) [M. Wilson, Phys. Today, p. 21 (Jan. 2006)].Graphene is a two-dimensional, planar form of carbon with the hexagonal arrangement of atoms [KSNovoselov, et al. Science 306, 666 (2004), A. K Geim, KS Novoselov, Nat. Mat. 6 (2007) 183, YB.Zhang, YWTan, HLStormer, and P. Kim, Nature 438, 201 (2005)]. The electrons in graphene have a linear energy-to-crystal momentum relationship and behave like relativistic particles with mass zero. The structure of graphene, characterized by the so-called The arrangement of atoms in the "honeycomb" has two atoms in a unit cell. The bonds between the carbon atoms are of the σ type (sp 2 hybridization), and the lowest conductivity band and the highest valence band are made of π resonance states. The Brillouin zone is a hexagon, in the six corners of which there is a linear energy dependence of the electron k wave vector, both for electrons and holes, and a zero energy gap. For this reason, graphene has a semi-metal characteristic. The linear dependence of the electron energy on the wave vector, such as for a photon, results in a zero effective mass of electrons and holes. The description of such behavior of electrons and holes requires, instead of the Schroedinger equation, the use of the Dirac equation for a relativistic particle with spin ½ and mass equal to zero. Numerous experiences from recent years have confirmed that electrons in graphene behave like Dirac fermions, characterized by an anomalous quantum Hall effect, and that the transport in graphene is ballistic [ML Sadowski, G. Martinez, M. Potenski, C. Berger, and WA de Heer, Phys. Rev. Lett. 97, 266405 (2006, DLMiller, KDKubista, GMRutter, et al., Science 324, 924 (2009)]. The unusual electronic properties of graphene and its high chemical stability make it very attractive for future electronics [Novoselov KS, Geim AK , Nature Materials 6, 183 (2007)]. The mobility of the carriers in graphene is very high, on the order of 200,000 cm 2 / Vs, which is over an order of magnitude greater than in silicon transistors [Lin YM et al., Science 327, 662 (2010) This provides ballistic transport over distances of the order of many micrometers Additionally, the current density in graphene is more than 100 times higher than in copper ( 108 A / cm 2 ) [M. Wilson, Phys. Today, p. 21 (Jan. 2006 )].

Grafen można otrzymać kilkoma metodami. Pierwsza opracowana przez K.S.Novoselova i A.K.Geima polega na odrywaniu, za pomocą taśmy klejącej, małych płatków grafitu od grafitowego bloku. Wielokrotne przeklejanie płatków grafitowych prowadzi do ich ścieniania aż do uzyskania grubości rzędu pojedynczych warstw atomów węgla. Metoda umożliwiła wyodrębnienie płatka grafenu i stwierdzenie wysokiej ruchliwości nośników. Wadą metody są bardzo małe rozmiary otrzymywanych płatków, których powierzchnia wynosi zaledwie kilkaset do tysiąca mikrometrów kwadratowych, niezwykle niska wydajność procesu selekcji płatków wykonywanego ręcznie, a w związku z tym ich wysoka cena. Metoda niemożliwa do zastosowania w przemyśle elektronicznym.Graphene can be obtained by several methods. The first one, developed by K.S. Novoselov and A.K. Geim, consists in tearing off small graphite flakes from the graphite block using adhesive tape. Multiple sticking of graphite flakes leads to their thinning up to the thickness of the order of single layers of carbon atoms. The method made it possible to extract the graphene flake and determine the high mobility of the carriers. The disadvantages of the method are the very small size of the flakes obtained, the surface area of which is only a few hundred to one thousand square micrometers, the extremely low efficiency of the flake selection process performed by hand, and therefore their high price. The method cannot be used in the electronics industry.

Druga metoda opracowana przez W. de Heera i C.Berger [C.Berger, Z.Song, T.Li, X.Li, et al., J.Phys.Chem., B 108, 19912 (2004), W.A.de Heer, C.Berger, X.Wu, et al, Solid State Commun. 143, 92 (2007), K. V.Emtsev et al., Nat. Mater. 8, 203 (2009)] na podstawie wcześniejszych doniesień [AJ.Van Bommel, J.E.Crombeen, and A.Van Tooren, Surf. Sci. 48, 463 (1975), I. Forbeaux, J.-M. Themlin, and J.-M. Debever PHYSICAL REVIEW B VOLUME 58, NUMBER 24 (1998)] dotyczących grafityzacji powierzchni węglika krzemu polega na otrzymywaniu w warunkach próżni, cienkiej warstwy węgla na powierzchni SiC w wyniku sublimacji krzemu w wysokiej temperaturze powyżej 1100°C. W takiej temperaturze, krzem ulatnia się z powierzchni, która staje się bogata w węgiel. Węgiel obecny na powierzchni jest stabilny nawet w postaci jednej, dwóch warstw atomów. W ten sposób można uzyskiwać grafen o grubości od kilku do kilkudziesięciu warstw atomów węgla. Szybkość wzrostu grafenu kontroluje się poprzez wytwarzanie w komorze reakcyjnej wstępnego ciśnienia parcjalnego krzemu pochodzącego z sublimacji SiC i prowadzenie dalszego procesu w warunkach bliskich równowagi. Odmiana metody zaproponowana w [K.V.Emtsev et al., Nat. Mater. 8, 203 (2009), W.Strupiński, et al, Mater. Science Forum Vols. 615-617 (2009)] umożliwia przeprowadzenie procesu wzrostu grafenu w atmosferze argonu w obniżonym lub atmosferycznym ciśnieniu. Dobierając odpowiednio ciśnienie (od 104Pa do 105Pa) i temperaturę procesu (od 1100°C do 1800°C) kontroluje się szybkość wzrostu grafenu. Opisana metoda jest obecnie najczęściej wykorzystywana. Wady metody to: trudność w uzyskiwaniu stanu równowagi ciśnienia Si w próżni, co ogranicza wykorzystanie przemysłoweThe second method was developed by W. de Heer and C. Berger [C. Berger, Z.Song, T.Li, X.Li, et al., J.Phys.Chem., B 108, 19912 (2004), WAde Heer , C. Berger, X.Wu, et al, Solid State Commun. 143, 92 (2007), KVEmtsev et al., Nat. Mater. 8, 203 (2009)] based on previous reports [AJ. Van Bommel, JECrombeen, and A. Van Tooren, Surf. Sci. 48, 463 (1975), I. Forbeaux, J.-M. Themlin, and J.-M. Debever PHYSICAL REVIEW B VOLUME 58, NUMBER 24 (1998)] concerning the graphitization of silicon carbide surfaces consists in obtaining, under vacuum conditions, a thin layer of carbon on the SiC surface by sublimating silicon at a high temperature above 1100 ° C. At this temperature, the silicon evaporates from the surface, which becomes carbon-rich. The carbon on the surface is stable even in the form of one or two layers of atoms. In this way, it is possible to obtain graphene with a thickness of several to several dozen layers of carbon atoms. The rate of graphene growth is controlled by generating an initial partial pressure of silicon in the reaction chamber from the sublimation of SiC and carrying out the further process under conditions close to equilibrium. A variation of the method proposed in [KVEmtsev et al., Nat. Mater. 8, 203 (2009), W. Strupiński, et al, Mater. Science Forum Vols. 615-617 (2009)] makes it possible to carry out the process of graphene growth in argon atmosphere at reduced or atmospheric pressure. By selecting the appropriate pressure (from 10 4 Pa to 10 5 Pa) and the process temperature (from 1100 ° C to 1800 ° C), the rate of graphene growth is controlled. The described method is currently the most used. The disadvantages of the method are: difficulty in achieving the Si pressure equilibrium state in a vacuum, which limits industrial use

PL 213 291 B1 oraz uzależnienie jakości grafenu od jakości podłoża SiC, z którego następuje sublimacja krzemu, co prowadzi do niejednorodności parametrów grafenu.And the dependence of the quality of graphene on the quality of the SiC substrate from which the silicon sublimates, which leads to inhomogeneity of graphene parameters.

Kolejna metoda polega na nanoszeniu warstw atomów węgla na podłoża metaliczne typu nikiel, wolfram, miedź. Wykorzystuje się tu znaną technikę nanoszenia cienkich warstw epitaksjalnych CVD (Chemical Vapor Deposition). Źródłem węgla jest metan, propan, acetylen, benzen, który rozkłada się w wysokiej temperaturze. Uwolniony wę giel osadza się na podł o ż u metalicznym. W zastosowaniach elektronicznych konieczne jest następnie odklejenie grafenu od przewodzącego metalu (poprzez rozpuszczanie metalu w odczynnikach chemicznych) i umieszczenie na izolowanym podłożu [Kim, K S., et al., Nature 2009, 457, Reina, A., et al., J. Nano Lett. 2009, 9]. Metoda przenoszenia grafenu jest poważnym utrudnieniem i ograniczeniem dla wdrożeń przemysłowych. W trakcie przenoszenia grafen pęka na mniejsze obiekty. Poza tym powierzchnia metalu nie jest wystarczająco gładka w porównaniu z powierzchnią wę glika krzemu.Another method is to apply layers of carbon atoms to metallic substrates such as nickel, tungsten, and copper. The known technique of applying thin CVD epitaxial layers (Chemical Vapor Deposition) is used here. The carbon source is methane, propane, acetylene and benzene, which decomposes at high temperatures. The released carbon is deposited on the metallic substrate. In electronic applications, it is then necessary to detach the graphene from the conductive metal (by dissolving the metal in chemical reagents) and place it on an insulated substrate [Kim, K S., et al., Nature 2009, 457, Reina, A., et al., J Nano Lett. 2009, 9]. The method of transferring graphene is a serious obstacle and limitation for industrial implementations. Graphene breaks into smaller objects when moved. In addition, the metal surface is not smooth enough compared to that of silicon carbide.

Dodatkowo stosuje się metody otrzymywania grafenu wykorzystujące redukcję chemiczną tlenku grafenu [Park, S.; Ruoff, R. S. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 217-224, Paredes, J. I.; Villar-Rodil, S., et al., Langmuir 2009, 25 (10), 5957-5968] oraz rozpuszczanie grafitu w rozpuszczalnikach [Blake, P. Brimicombe, P. D. Nair, et al., Nano Lett. 2008, 8 (6), 1704-1708, Hernandez, Y. Nicolosi, V. Lotya, et al., J. N. Nat.Nanotechnol. 2008, 3, 563-568], a następnie poprzez odparowywanie wyodrębnianie fazy stałej węgla w postaci cienkich płatków. Jednakże, grafen uzyskiwany takimi metodami charakteryzuje się bardzo niską jakością.Additionally, methods of obtaining graphene are used that use chemical reduction of graphene oxide [Park, S .; Ruoff, R. S. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 217-224, Paredes, J. I .; Villar-Rodil, S., et al., Langmuir 2009, 25 (10), 5957-5968] and dissolving graphite in solvents [Blake, P. Brimicombe, PD Nair, et al., Nano Lett. 2008, 8 (6 ), 1704-1708, Hernandez, Y. Nicolosi, V. Lota, et al., JN Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 563-568], and then isolation of the solid phase of coal in the form of thin flakes by evaporation. However, the graphene obtained by such methods is of very low quality.

W przypadku metody polegającej na epitaksji węgla (CVD), atrakcyjne dla zastosowań elektronicznych jest podłoże z SiC (węglik krzemu), które w zależności od potrzeb może mieć właściwości wysoko-oporowe (pół-izolacyjne) lub nisko-rezystywne. (Przewodzące podłoża metaliczne z warstwą grafenu uniemożliwiają wykonanie np. tranzystora). Proces CVD wymaga wysokich temperatur. Dolny zakres ograniczony jest temperaturą termicznego rozkładu gazowego prekursora węgla (ok. 1000°C), jednakże grafen o wymaganej jakości strukturalnej wymaga temperatur w zakresie 1500 - 1800°C. W tej temperaturze nastę puje niekorzystny z punktu widzenia epitaksji, rozkł ad podł oż a SiC czyli sublimacja krzemu. Zanim zostanie osiągnięta temperatura wzrostu epitaksjalnego następuje wzrost grafenu poprzez sublimację Si (od ok. 1300°C). Zatem, pierwsze i najważniejsze dla parametrów grafenu warstwy atomów węgla powstaną znaną metodą odparowania krzemu, a nie epitaksji CVD. Również po zakończeniu epitaksji CVD niekontrolowana sublimacja przyczyni się do dalszego niepożądanego wzrostu kolejnych warstw węgla. Dlatego też celem obecnego wynalazku jest zaproponowanie sposobu wytwarzania grafenu poprzez epitaksję z fazy gazowej (CVD), w której można zastosować podłoża z SiC, dzięki kontroli nad procesem sublimacji krzemu z takiego podłoż a. Dalszym celem obecnego wynalazku jest umożliwienie wzrostu zarodków grafenu na podłożu z SiC, poprzez kontrolowaną sublimację krzemu z tego podłoża, a następnie osadzanie warstw epitaksjalnych grafenu na tak otrzymanych zarodkach o zdefiniowanej geometrii (wyspy). Zastosowanie epitaksji CVD do wytwarzania grafenu pozwala także na wzrost grubszych warstw grafenu turbostratycznego na polarności węglowej podłoża SiC, ale także na polarności krzemowej, co jest nieosiągalne metodą sublimacji Si. Dodatkowo, możliwa jest modyfikacja struktury elektronowej grafenu (separacja energetyczna poziomu Fermiego i punktu Dirac'a) w wyniku przerywania wzrostu epitaksjalnego CVD i wprowadzaniu reaktywnych chemicznie domieszek. Istotne jest, aby po przerwaniu procesu wzrostu grafenu nie następował niekontrolowany dalszy proces sublimacji lub trawienia.In the case of the carbon epitaxy (CVD) method, a SiC (silicon carbide) substrate is attractive for electronic applications, which can have high-resistance (semi-insulating) or low-resistive properties depending on the needs. (Conductive metallic substrates with a graphene layer make it impossible to make, for example, a transistor). The CVD process requires high temperatures. The lower range is limited by the temperature of thermal decomposition of the gaseous carbon precursor (approx. 1000 ° C), however, graphene of the required structural quality requires temperatures in the range of 1500 - 1800 ° C. At this temperature, unfavorable, from the point of view of epitaxy, decomposition of the SiC substrate occurs, i.e. silicon sublimation. Before the epitaxial growth temperature is reached, graphene grows through Si sublimation (from approx. 1300 ° C). Thus, the first and most important for the graphene parameters of the carbon atom layer will be formed by the known method of silicon evaporation, not CVD epitaxy. Also after the end of CVD epitaxy, uncontrolled sublimation will contribute to further undesirable growth of subsequent carbon layers. It is therefore an object of the present invention to propose a method for producing graphene by vapor phase epitaxy (CVD) in which SiC substrates can be used by controlling the silicon sublimation process from such a substrate. SiC, by controlled sublimation of silicon from this substrate, and then deposition of epitaxial layers of graphene on the thus obtained seeds with a defined geometry (islands). The use of CVD epitaxy in the production of graphene also allows the growth of thicker layers of turbostatic graphene on the carbon polarity of the SiC substrate, but also on the polarity of silicon, which is unattainable by the Si sublimation method. Additionally, it is possible to modify the electronic structure of graphene (energetic separation of the Fermi level and the Dirac point) by interrupting the epitaxial growth of CVD and introducing chemically reactive dopants. It is important that after the process of graphene growth is discontinued, no uncontrolled further sublimation or etching process takes place.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób wytwarzania grafenu na podłożu posiadającym powierzchnię z SiC, w reaktorze epitaksjalnym, w którym w warunkach temperatury wyższej niż 1100°C, a korzystnie wyższej niż 1500°C i przy ciśnieniu gazu obojętnego wynoszącym od 10-2Pa do ciśnienia atmosferycznego wytwarza się przepływ gazu obojętnego przez reaktor, z wytworzeniem warstwy gazu obojętnego nad podłożem, charakteryzuje się tym, że poprzez dobranie wartości przepływu gazu obojętnego przez reaktor i ciśnienia w reaktorze kontroluje się sublimację krzemu z podłoża, prowadzi się dyfuzję gazowego prekursora węgla do podłoża poprzez warstwę gazu obojętnego i osadza się grafen na podłożu. Dzięki temu możliwe jest osadzanie pojedynczych warstw węgla.According to the invention, the method of producing graphene on a substrate having a SiC surface in an epitaxial reactor, where the temperature conditions are higher than 1100 ° C, preferably higher than 1500 ° C and with an inert gas pressure ranging from 10-2 Pa to atmospheric pressure the flow of inert gas through the reactor is generated, with the formation of a layer of inert gas above the substrate, characterized in that by selecting the inert gas flow through the reactor and the pressure in the reactor, the sublimation of silicon from the substrate is controlled, and the carbon precursor gas diffuses into the substrate through the layer inert gas and the graphene is deposited on the substrate. This makes it possible to deposit single layers of carbon.

W jednym z preferowanych wariantów realizacji wynalazku, poprzez dobranie wartoś ci przepł ywu gazu obojętnego przez reaktor i ciśnienia w reaktorze umożliwia się ograniczoną sublimację krzemu z podłoża.In one preferred embodiment of the invention, limited sublimation of the silicon from the substrate is allowed by adjusting the inert gas flow through the reactor and the reactor pressure.

Wówczas korzystnie, przepływ gazu obojętnego wynosi od 6 l/min do 70 l/min, korzystniej od 18 l/min do 26 l/min.Then, preferably, the flow of inert gas is from 6 l / min to 70 l / min, more preferably from 18 l / min to 26 l / min.

PL 213 291 B1PL 213 291 B1

W innym z preferowanych wariantów realizacji wynalazku, poprzez dobranie wartoś ci przepł ywu gazu obojętnego przez reaktor i ciśnienia w reaktorze blokuje się sublimację krzemu z podłoża.In another preferred embodiment of the invention, sublimation of silicon from the substrate is blocked by adjusting the inert gas flow through the reactor and the pressure in the reactor.

Wówczas korzystnie, przepływ gazu obojętnego jest mniejszy niż 6 l/min.Then, preferably, the flow of inert gas is less than 6 l / min.

W jeszcze innym z preferowanych wariantów realizacji wynalazku, począ tkowo stosuje się przepływ gazu obojętnego w zakresie od 6 l/min do 70 l/min, korzystniej od18 l/min do 26 l/min, co umożliwia powstanie zarodków grafenu na powierzchni podłoża z SiC w procesie kontrolowanej sublimacji krzemu z podłoża, a następnie przepływ gazu obojętnego zmniejsza się do wartości mniejszej niż 6 l/min, uniemożliwiając dalszą sublimację krzemu i prowadzi się epitaksję grafenu z fazy gazowej na tak otrzymanych zarodkach.In yet another preferred embodiment of the invention, initially an inert gas flow ranging from 6 L / min to 70 L / min, more preferably from 18 L / min to 26 L / min, is used to allow graphene nucleation on the surface of the SiC substrate. in the process of controlled sublimation of silicon from the substrate, then the flow of inert gas is reduced to less than 6 l / min, preventing further sublimation of silicon, and epitaxy of graphene from the gas phase on the seeds thus obtained.

Wspomniane tutaj wartości przepływów zostały dobrane dla konkretnego reaktora epitaksjalnego, a mianowicie urządzenia (model VP508), produkowanego przez firmę AIXTRON AG, Niemcy. Przepływ 26 l/min mógłby być zwiększony (bez wpływu na proces wzrostu), ale w tym urządzeniu jest to górny zakres przepływomierza. W reaktorze o innej geometrii przepływy mogą być inne i trzeba je dobrać eksperymentalnie, zgodnie z zasadami znanymi biegłym w dziedzinie.The flow values mentioned here have been selected for a specific epitaxial reactor, namely a device (model VP508), manufactured by AIXTRON AG, Germany. The flow of 26 L / min could be increased (without affecting the growth process), but this is the upper range of the flowmeter on this device. In a reactor with a different geometry, the flows may be different and must be selected experimentally according to the principles known to those skilled in the art.

Korzystnie, proces epitaksji poprzedzony jest etapem trawienia podłoża w zakresie temperatur od 1400°C do 2000°C, korzystniej od 1400°C do 1700°C.Preferably, the epitaxy process is preceded by a substrate etching step in the temperature range from 1400 ° C to 2000 ° C, more preferably from 1400 ° C to 1700 ° C.

W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku trawienie odbywa się przy ciśnieniu od 103Pa do 105Pa, korzystnie od 5x103Pa do 104Pa.In a preferred embodiment of the invention, the digestion is carried out at a pressure of 10 3 Pa to 10 5 Pa, preferably between 5x10 3 Pa to 10 4 Pa.

Trawienie prowadzić można także przy wyższych ciśnieniach, ale nie ma ku temu wskazań, bo po trawieniu i tak trzeba obniżyć ciśnienie celem przeprowadzenia procesu epitaksji. Nie stwierdzono, aby jakość trawienia była wyższa dla wyższych wartości ciśnienia.Digestion can also be carried out at higher pressures, but there is no indication for it, because after etching, the pressure must be reduced anyway in order to carry out the epitaxy process. The etch quality was not found to be higher at higher pressures.

Korzystnie wspomniane trawienie odbywa się w atmosferze gazu zawierającej wodór. Jeszcze korzystniej, wspomniana atmosfera zawiera dodatkowo propan, silan lub ich mieszaniny.Preferably, said etching takes place under a hydrogen-containing gas atmosphere. Even more preferably, said atmosphere additionally comprises propane, silane or mixtures thereof.

Korzystnie wspomniane trawienie odbywa się przy przepływie wspomnianego gazu w zakresie od 5 l/min do 90 l/min, a jeszcze korzystniej od 70 l/min do 90 l/min.Preferably, said etching takes place with a flow of said gas ranging from 5 l / min to 90 l / min, more preferably from 70 l / min to 90 l / min.

Zgodnie z wynalazkiem, o ile wspomniane trawienie odbywa się w atmosferze zawierającej wodór, korzystnie stosuje się przepływ wodoru od 70 l/min do 90 l/min. Jeśli wspomniane trawienie odbywa się w atmosferze zawierającej silan, korzystnie stosuje się przepływ silanu od 1 ml/min do 100 ml/min, a jeszcze korzystniej od 5 ml/min do 10 ml/min. Jeśli zaś wspomniane trawienie odbywa się w atmosferze zawierającej propan, korzystnie stosuje się przepływ propanu od 1 ml/min do 100 ml/min, a jeszcze korzystniej od 5 ml/min do 10 ml/min.According to the invention, provided that said etching takes place in a hydrogen-containing atmosphere, a hydrogen flow of between 70 l / min and 90 l / min is preferably used. If said digestion takes place in a silane-containing atmosphere, preferably a silane flow of from 1 ml / min to 100 ml / min, and even more preferably from 5 ml / min to 10 ml / min, is used. If said digestion takes place in an atmosphere containing propane, preferably a propane flow of from 1 ml / min to 100 ml / min, and even more preferably from 5 ml / min to 10 ml / min, is used.

Korzystnie używa się podłoża o politypie wybranym spośród 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC.Preferably, a substrate is used with a polypeptide selected from 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC.

Korzystnie epitaksję prowadzi się na stronie podłoża o polarności Si.Preferably, epitaxy is performed on the Si polarity side of the substrate.

W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku wspomnianym gazem obojętnym jest gaz szlachetny, korzystnie argon.In a preferred embodiment of the invention, said inert gas is a noble gas, preferably argon.

Argon jest optymalnym wyborem z punktu widzenia zastosowania w sposobie według obecnego wynalazku. Pozostałe gazy obojętne także nadają się do epitaksji, ale w praktyce stosowane są niezmiernie rzadko, ze względu na wysokie koszty, ograniczoną dostępność tych gazów i ograniczoną dostępność oczyszczalników.Argon is the optimal choice for use in the process of the present invention. The remaining inert gases are also suitable for epitaxy, but in practice they are used very rarely due to high costs, limited availability of these gases and limited availability of purifiers.

Stosując gazy obojętne inne niż argon, należy odpowiednio zmienić wskazane wcześniej przepływy, ze względu na inną - niż w przypadku argonu - masę cząsteczki gazu.When using inert gases other than argon, the previously indicated flows should be changed accordingly, due to the different - than in the case of argon - mass of the gas molecule.

W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku wspomnianym gazem obojętnym jest argon, podłoże z SiC przetrzymuje się w temperaturze powyżej 1100°C oraz iloczyn ciśnienia argonu w reaktorze i przepływu argonu przez reaktor dobiera się w taki sposób, aby nad powierzchnią podłoża utworzyć warstwę stojącą argonu, uniemożliwiającą sublimację krzemu, przez co blokuje się sublimację krzemu z powierzchni podłoża SiC.In a preferred embodiment of the invention, said inert gas is argon, the SiC substrate is kept at a temperature above 1100 ° C, and the product of the argon pressure in the reactor and the argon flow through the reactor is selected in such a way as to form an argon standing layer above the substrate surface, preventing sublimation. silicon, thereby blocking the sublimation of silicon from the surface of the SiC substrate.

Obecny wynalazek zostanie bardziej szczegółowo przedstawiony w przykładach wykonania z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:The present invention will be illustrated in more detail with reference to the accompanying drawing in which:

fig. 1 przedstawia ideowy schemat komory reakcyjnej urządzenia VP508 wykorzystanej do opracowania wynalazku;Fig. 1 is a schematic diagram of the reaction chamber of the VP508 device used to develop the invention;

fig. 2A) - 2E) przedstawiają mechanizm kontroli sublimacji krzemu z powierzchni podłoża SiC oraz zasadę osadzania grafenu w procesie CVD z propanu;Figures 2A) - 2E) show the control mechanism of silicon sublimation from the SiC substrate surface and the principle of graphene deposition in the propane CVD process;

fig. 3A) przedstawia obraz z mikroskopu tunelowego świadczący o uzyskaniu cienkiej warstwy grafenu na powierzchni SiC w przykładzie 4;Fig. 3A) is a tunneling microscope image showing the formation of a thin layer of graphene on the SiC surface in Example 4;

fig. 3B) przedstawia wynik pomiaru metodą spektroskopii Ramana świadczący o uzyskaniu cienkiej warstwy grafenu na powierzchni SiC w przykładzie 4, zaśFig. 3B) shows the result of the Raman spectroscopy measurement showing that a thin layer of graphene was obtained on the SiC surface in example 4, while

PL 213 291 B1 fig. 4 przedstawia obraz z mikroskopu tunelowego pokazujący izolowane wyspy grafenu.Figure 4 is a tunneling microscope image showing the isolated graphene islands.

Ponadto, na fig. 1 oraz fig. 2A) - 2E) użyto następujących oznaczeń: 1 - ciśnieniomierz,Moreover, in Fig. 1 and Fig. 2A) - 2E) the following markings have been used: 1 - pressure gauge,

- grzejniki, 3 - próbka, 4 - zamknię cie komory, 5 - wlot gazów, 6 - tuba kwarcowa, 7 - pompa, 8 wylot gazów, 9 - sublimacja Si, 10 - argon, 11 - zarodki grafenu, 12 - propan.- heaters, 3 - sample, 4 - chamber closure, 5 - gas inlet, 6 - quartz tube, 7 - pump, 8 gas outlet, 9 - Si sublimation, 10 - argon, 11 - graphene seeds, 12 - propane.

Korzystne przykłady wykonania wynalazkuPreferred Embodiments of the Invention

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

W procesie epitaksji grafenu metodą CVD (Chemical Vapor Deposition) użyto komercyjnego reaktora VP508 oraz komercyjne podłoża z węglika krzemu polityp 4H-SiC, 6H-SiC oraz 3C-SiC o orientacji (0001) oraz (000-1). Stosowano także podłoża z kilkustopniową dezorientacją (0-8 stopni) dostępne u producentów: m.in. Cree (USA), SiCrystaI (Niemcy). Powierzchnia podłóż była przygotowana przez producenta do epitaksji SiC (tzw. powierzchnia „epi-ready”). Dodatkowo, podłoża były trawione w urządzeniu do epitaksji, przed właściwym procesem wzrostu grafenu, w mieszaninie wodoru i propanu lub silanu w temperaturze 1600°C i ciśnieniu 104Pa. Przepływ wodoru - 60 l/min, propanu/silanu w zakresie od 5 do 10 ml/min. Wielkość podłóż uzależniona od zastosowanego nagrzewnika - od próbek kwadratowych o wymiarach 10 mm x 10 mm do całych płytek o średnicy 2 lub 3 cale.In the CVD (Chemical Vapor Deposition) epitaxy process, a commercial VP508 reactor and commercial silicon carbide polyp 4H-SiC, 6H-SiC and 3C-SiC substrates with (0001) and (000-1) orientation were used. Substrates with multi-degree disorientation (0-8 degrees) available from producers were also used: incl. Cree (USA), SiCrystaI (Germany). The surface of the substrates was prepared by the manufacturer for SiC epitaxy (the so-called "epi-ready" surface). In addition, the substrates were etched in the apparatus for epitaxy, before the actual process of growth of graphene in a mixture of hydrogen and propane and silane at 1600 ° C and a pressure of 10 4 Pa. Hydrogen flow - 60 l / min, propane / silane flow in the range from 5 to 10 ml / min. The size of the substrates depends on the heater used - from 10 mm x 10 mm square samples to whole tiles with a diameter of 2 or 3 inches.

Podłoża SiC umieszczone w reaktorze (fig. 1) poddane wygrzewaniu ulegają dekompozycji termicznej (sublimacji krzemu z powierzchni). Jeśli wygrzewanie prowadzi się w atmosferze wodoru, powstający na powierzchni węgiel przereagowuje z wodorem, w wyniku czego kolejne warstwy SiC ulegają odtrawieniu. Zastąpienie wodoru argonem lub zastosowanie próżni skutkuje odkładaniem się węgla na powierzchni podłoża powstałego z termicznego rozkładu kolejnych warstw atomowych SiC (fig. 2A). Wydajność sublimacji krzemu wzrasta wraz ze zwiększaniem temperatury i zmniejszaniem ciśnienia. W wyniku odpowiedniej rekonstrukcji atomów węgla na powierzchni uzyskuje się kolejne warstwy grafenu. Zakres stosowanych ciśnień argonu wynosi od 10-2Pa do ciśnienia atmosferycznego. Jeżeli prędkość liniowa cząsteczek argonu nad powierzchnią podłoża będzie wystarczająco duża, przepływający gaz nie hamuje procesu sublimacji. Jeżeli prędkość ta zostanie zmniejszona poniżej krytycznej wartości będącej iloczynem ciśnienia w reaktorze i przepływu wyrażonego w l/min, powstaje stojąca warstwa gazu - argonu nad podłożem (tzw. „stagnant layer”). Warstwa, której grubość zależy od ciśnienia i przepływu blokuje sublimację krzemu z powierzchni podłoża do otaczającej atmosfery (fig. 2B). Dla konkretnej geometrii reaktora wartość iloczynu przepływu i ciśnienia charakterystyczna dla powstania warstwy stojącej gazu będzie inna i dobierana jest eksperymentalnie. W przypadku reaktora VP508 zastosowano przepływ argonu 6 l/min i ciśnienie 104Pa, aby całkowicie zablokować proces sublimacji. Jeśli przepływ argonu zostanie zwiększony do wartości (dla przypadku VP508) 26 l/min, grubość warstwy stojącej ulega zmniejszeniu umożliwiając ponowną sublimację krzemu (fig. 2C). Przepływem argonu można zatem regulować grubość warstwy gazu blokującej sublimację Si, tym samym regulując wydajność sublimacji od najwydajniejszej dla danej temperatury i ciśnienia w reaktorze aż do całkowitego jej zablokowania. W ten sposób można otrzymywać warstwy grafenu metodą sublimacji w precyzyjnie kontrolowanym czasie. Fig. 3 przedstawia obraz z mikroskopu tunelowego (A) oraz wynik pomiaru metodą spektroskopii Ramana (B) świadczący o uzyskaniu cienkiej warstwy grafenu na powierzchni SiC. Grubość grafenu była określona metodą elipsometrii i wynosiła w tym przypadku 7 warstw atomowych węgla.The SiC substrates placed in the reactor (Fig. 1) subjected to annealing undergo thermal decomposition (sublimation of silicon from the surface). If the annealing is carried out in a hydrogen atmosphere, the carbon formed on the surface reacts with the hydrogen, as a result of which subsequent SiC layers are de-etched. Replacing hydrogen with argon or applying a vacuum results in the deposition of carbon on the surface of the substrate resulting from the thermal decomposition of successive atomic SiC layers (Fig. 2A). The efficiency of silicon sublimation increases with increasing temperature and decreasing pressure. As a result of the appropriate reconstruction of carbon atoms on the surface, successive layers of graphene are obtained. The range of argon pressures used is from 10-2 Pa to atmospheric pressure. If the linear velocity of argon particles above the surface of the substrate is sufficiently high, the flowing gas does not inhibit the sublimation process. If this velocity is reduced below the critical value which is the product of the pressure in the reactor and the flow expressed in l / min, a standing layer of gas - argon is created above the substrate (the so-called "stagnant layer"). The pressure and flow dependent layer blocks the sublimation of the silicon from the substrate surface into the surrounding atmosphere (Fig. 2B). For a specific reactor geometry, the value of the product of flow and pressure characteristic for the formation of a standing gas layer will be different and is selected experimentally. In the case of a reactor used VP508 argon flow of 6 l / min and a pressure of 10 4 Pa to completely block the sublimation process. If the argon flow is increased to 26 L / min (for VP508), the thickness of the standing layer is reduced allowing re-sublimation of the silicon (Fig. 2C). Thus, the argon flow can control the thickness of the Si sublimation blocking gas layer, thereby adjusting the sublimation efficiency from the most effective for a given temperature and pressure in the reactor to its complete blocking. In this way, graphene layers can be obtained by sublimation in precisely controlled time. Fig. 3 shows an image from a tunneling microscope (A) and the measurement result by Raman spectroscopy (B), showing that a thin layer of graphene was obtained on the SiC surface. The thickness of graphene was determined by the ellipsometry method and in this case it was 7 carbon atomic layers.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Postępowano analogicznie jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że proces sublimacji prowadzono przez bardzo krótki okres czasu: w warunkach ciśnienia 104Pa i przepływu argonu 26 l/min przez 10 sekund lub przez 4 minuty przy obniżonym przepływie do 20 l/min. Dzięki temu wywołano wzrost małych obiektów (wysp) węgla na powierzchni podłoża SiC poprzez uruchomienie sublimacji w odpowiednio krótkim przedziale czasu (fig. 2D). Wyspy węglowe można wykorzystać opcjonalnie do późniejszego wzrostu grafenu jako zarodki uzyskane metodą sublimacji. Fig. 4 zawiera obraz z mikroskopu tunelowego pokazujący izolowane wyspy grafenu.The procedure was analogous to that in example 1, with the only difference that the sublimation process was carried out for a very short period of time: under the pressure of 10 4 Pa and the argon flow of 26 l / min for 10 seconds or for 4 minutes with the flow reduced to 20 l / min. . As a result, the growth of small objects (islands) of carbon on the surface of the SiC substrate was induced by starting sublimation in a suitably short period of time (Fig. 2D). Carbon islets can be used optionally for the later growth of graphene as sublimation seeds. Fig. 4 is a tunneling microscope image showing the isolated graphene islands.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Postępowano analogicznie jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że po wytrawieniu podłoża zastosowano niską szybkość przepływu argonu (6 l/min, przy ciśnieniu 104Pa) nie dopuszczając do procesu sublimacji krzemu z powierzchni podłoża. Wzrost grafenu zrealizowano w wyniku procesu CVD wprowadzając do reaktora gaz - propan w ilości 2 ml/min (fig. 2E). Pomimo, że sublimacja krzemu jest w takich warunkach zablokowana, cząsteczki propanu dyfundują przez warstwę stojącego gazu do powierzchni podłoża. W rezultacie na powierzchni SiC, która nie ulegała sublimacji osadza się warstwa grafemu o kontrolowanej grubości za pomocą czasu przepływu propanu przez reaktor. WyłączenieThe procedure was analogous to that in Example 1, with the difference that after etching the substrate, a low argon flow rate (6 l / min, at a pressure of 10 4 Pa) was used, preventing the silicon sublimation process from the substrate surface. The graphene growth was achieved by the CVD process by introducing gas - propane in the amount of 2 ml / min into the reactor (Fig. 2E). Although the sublimation of silicon is blocked under such conditions, propane particles diffuse through the layer of standing gas to the surface of the substrate. As a result, on the non-sublimated SiC surface, a graphene layer is deposited with a thickness controlled by the flow time of propane through the reactor. Exclusion

PL 213 291 B1 propanu kończy proces osadzania. Wzrost grafenu przeprowadzono na podłożu SiC o orientacjach (0001) i (000-1). Otrzymany grafen charakteryzował się podobnymi parametrami jak grafen otrzymany w wyniku sublimacji. Grubo ść grafenu mierzona metodą elipsometrii moż na kontrolować w zakresie od jednej warstwy atomów węgla do 100 warstw i więcej.The propane gas completes the deposition process. Graphene growth was carried out on a SiC substrate with the orientations (0001) and (000-1). The obtained graphene had parameters similar to those obtained by sublimation. The thickness of graphene measured by ellipsometry can be controlled in the range from one layer of carbon atoms to 100 layers and more.

P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4

Postępowano analogicznie jak w przykładzie 2, z tą różnicą, że po otrzymaniu izolowanych wysp grafenu, zatrzymano sublimację poprzez zmniejszenie przepływu argonu do 6 l/min i rozpoczęto wzrost grafenu metodą CVD jak w przykładzie 3, wykorzystując wcześniej otrzymane wyspy jako zarodki do wzrostu metoda CVD. W tym przypadku w początkowej fazie (1-2 warstwy atomów) wzrost ten następował lateralnie. Sposób ten ma na celu poprawę jakości otrzymywanego grafenu. Jednakże, na podstawie dostępnych obecnie metod charakteryzacyjnych trudno jeszcze stwierdzić wpływ wykorzystania zarodków sublimacyjnych na obniżenie zdefektowania grafenu.The procedure was analogous to that in example 2, except that after obtaining isolated graphene islands, sublimation was stopped by reducing the argon flow to 6 l / min and graphene growth was started by CVD as in example 3, using previously obtained islands as seeds for growth by CVD method . In this case, in the initial phase (1-2 atom layers) the increase was lateral. This method is aimed at improving the quality of the obtained graphene. However, on the basis of currently available characterization methods, it is still difficult to state the impact of the use of sublimation seeds on the reduction of graphene defects.

P r z y k ł a d 5P r z k ł a d 5

Postępowano analogicznie jak w przykładzie 3, z tą różnicą, że przed właściwym procesem osadzania grafenu przeprowadzono proces epitaksji SiC na podłożu SiC w celu poprawienia jakości morfologii powierzchni. Grafen osadzano następnie na tak zmodyfikowanym podłożu. Uzyskano wyraźną poprawę jakości oraz lepszą jednorodność. Jednakże, główna zaleta tego sposobu jest wydatne zmniejszenie wpływu jakości podłoża na przebieg procesu wzrostu grafenu. Uzyskano większą powtarzalność miedzy procesami. Jakość grafenu potwierdzono pomiarami Ramana obserwując stabilność piku 2D pochodzącego od warstwy węgla oraz obecność/amplitudę piku D (ang. „defects”) związanego z zaburzeniami wzrostu grafenu.The procedure was analogous to that in Example 3, with the difference that prior to the actual deposition of graphene, the SiC epitaxy process was performed on the SiC substrate in order to improve the quality of the surface morphology. The graphene was then deposited on such a modified substrate. There was a clear improvement in quality and a better homogeneity. However, the main advantage of this method is the significant reduction of the influence of the substrate quality on the course of the graphene growth process. Greater repeatability between processes was achieved. The quality of graphene was confirmed by Raman measurements by observing the stability of the 2D peak derived from the carbon layer and the presence / amplitude of the D (defects ") peak associated with abnormal graphene growth.

Claims (17)

1. Sposób wytwarzania grafenu na podłożu posiadającym powierzchnię z SiC, w reaktorze epitaksjalnym, w którym w warunkach temperatury wyższej niż 1100°C, a korzystnie wyższej niż 1500°C i przy ciśnieniu gazu obojętnego wynoszącym od 10-2Pa do ciśnienia atmosferycznego wytwarza się przepływ gazu obojętnego przez reaktor, z wytworzeniem warstwy gazu obojętnego nad podłożem, znamienny tym, że poprzez dobranie wartości przepływu gazu obojętnego przez reaktor i ciś nienia w reaktorze kontroluje się sublimację krzemu z podłoża, prowadzi się dyfuzję gazowego prekursora węgla do podłoża poprzez warstwę gazu obojętnego i osadza się grafen na podłożu.A method for producing graphene on a substrate having a SiC surface in an epitaxial reactor, where the temperature conditions higher than 1100 ° C, preferably higher than 1500 ° C and with an inert gas pressure ranging from 10-2 Pa to atmospheric pressure are produced flow of inert gas through the reactor, creating a layer of inert gas above the substrate, characterized in that by selecting the value of the inert gas flow through the reactor and the pressure in the reactor, the sublimation of silicon from the substrate is controlled, and the carbon precursor gas diffuses into the substrate through the inert gas layer and the graphene is deposited on the substrate. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że poprzez dobranie wartości przepływu gazu obojętnego przez reaktor i ciśnienia w reaktorze umożliwia się ograniczoną sublimację krzemu z podłoża.2. The method according to p. The process of claim 1, wherein the inert gas flow through the reactor and the reactor pressure are selected to allow limited sublimation of the silicon from the substrate. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, ż e przepływ gazu obojętnego wynosi od 6 l/min do 70 l/min, korzystnie od 18 l/min do 26 l/min.3. The method according to p. The process of claim 2, characterized in that the flow of inert gas is from 6 l / min to 70 l / min, preferably from 18 l / min to 26 l / min. 4. Sposób wedł ug zastrz. 1, 2 albo 3, znamienny tym, ż e poprzez dobranie wartoś ci przepł ywu gazu obojętnego przez reaktor i ciśnienia w reaktorze blokuje się sublimację krzemu z podłoża.4. The method according to claim The method of claim 1, 2 or 3, characterized in that by selecting the inert gas flow through the reactor and the pressure in the reactor, sublimation of silicon from the substrate is blocked. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że przepływ gazu obojętnego jest mniejszy niż 6 l/min.5. The method according to p. The process of claim 4, characterized in that the flow of inert gas is less than 6 l / min. 6. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że początkowo stosuje się przepływ gazu obojętnego w zakresie od 6 l/min do 70 l/min, korzystnie 18 l/min do 26 l/min, a następnie przepływ gazu obojętnego zmniejsza się do wartości mniejszej niż 6 l/min.6. Method according to any of the preceding claims, characterized in that initially an inert gas flow ranging from 6 l / min to 70 l / min, preferably 18 l / min to 26 l / min is used, and then the inert gas flow is reduced to less than 6 l / min. 7. Sposób wedł ug dowolnego z poprzedzają cych zastrzeż e ń , znamienny tym, ż e proces epitaksji poprzedzony jest etapem trawienia podłoża w zakresie temperatur od 1400°C do 2000°C, korzystnie od 1400°C do 1700°C.7. A method according to any of the preceding claims, characterized in that the epitaxy process is preceded by a step of etching the substrate in the temperature range from 1400 ° C to 2000 ° C, preferably from 1400 ° C to 1700 ° C. 8. Sposób wedł ug zastrz. 7, znamienny tym, ż e trawienie odbywa się przy ciś nieniu od 103Pa do 105Pa, korzystnie od 5x103Pa do 104Pa.8. The method according to claim 7, characterized in that the desired digestion is carried out at pressure mode 10 3 Pa to 10 5 Pa, preferably between 5x10 3 Pa to 10 4 Pa. 9. Sposób wedł ug zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, ż e trawienie odbywa się w atmosferze gazu zawierającej wodór.9. The method according to claim The process of claim 7 or 8, characterized in that the etching takes place in a hydrogen-containing gas atmosphere. 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że atmosfera zawiera dodatkowo propan, silan lub ich mieszaniny.10. The method according to p. The process of claim 9, wherein the atmosphere additionally comprises propane, silane or mixtures thereof. 11. Sposób według zastrz. 9 albo 10, znamienny tym, że trawienie odbywa się przy przepływie gazu w zakresie od 5 l/min do 90 l/min, korzystnie od 70 l/min do 90 l/min.11. The method according to p. The process according to claim 9 or 10, characterized in that the etching takes place with a gas flow ranging from 5 l / min to 90 l / min, preferably from 70 l / min to 90 l / min. PL 213 291 B1PL 213 291 B1 12. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że trawienie odbywa się w atmosferze zawierającej silan, zaś przepływ silanu wynosi od 1 ml/min do 100 ml/min, korzystnie od 5 ml/min do 10 ml/min.12. The method according to p. The process of claim 10, characterized in that the etching takes place in a silane-containing atmosphere and the flow of silane is from 1 ml / min to 100 ml / min, preferably from 5 ml / min to 10 ml / min. 13. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że trawienie odbywa się w atmosferze zawierającej propan, zaś przepływ propanu wynosi od 1 ml/min do 100 ml/min, korzystnie od 5 ml/min do 10 ml/min.13. The method according to p. The process of claim 10, characterized in that the digestion takes place in an atmosphere containing propane and the flow of propane is from 1 ml / min to 100 ml / min, preferably from 5 ml / min to 10 ml / min. 14. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że używa się podłoża o politypie wybranym spośród 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC.14. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the substrate is used with a polypropylene selected from 4H-SiC, 6H-SiC, 3C-SiC. 15. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że epitaksję prowadzi się na stronie podłoża o polarności Si.15. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the epitaxy is performed on the Si-polar side of the substrate. 16. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że gazem obojętnym jest gaz szlachetny, korzystnie argon.16. A method according to any of the preceding claims, characterized in that the inert gas is a noble gas, preferably argon. 17. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że gazem obojętnym jest argon, podłoże z SiC przetrzymuje się w temperaturze powyżej 1100°C oraz iloczyn ciśnienia argonu w reaktorze i przepływu argonu przez reaktor dobiera się w taki sposób, aby nad powierzchnią podłoża utworzyć warstwę stojącą argonu, uniemożliwiającą sublimację krzemu.17. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the inert gas is argon, the SiC substrate is kept at a temperature above 1100 ° C, and the product of the argon pressure in the reactor and the argon flow through the reactor is selected such that above the surface of the substrate create an argon standing layer that prevents silicon from sublimating
PL391416A 2010-06-07 2010-06-07 Method for graphene preparation PL213291B1 (en)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL391416A PL213291B1 (en) 2010-06-07 2010-06-07 Method for graphene preparation
JP2011121274A JP5662249B2 (en) 2010-06-07 2011-05-31 Method for producing graphene
KR20127031787A KR101465452B1 (en) 2010-06-07 2011-06-06 Method of graphene manufacturing
PCT/PL2011/050023 WO2011155858A2 (en) 2010-06-07 2011-06-06 Method of graphene manufacturing
CN201180027996.XA CN102933491B (en) 2010-06-07 2011-06-06 The production method of Graphene
EP11168749.7A EP2392547B1 (en) 2010-06-07 2011-06-06 Method of graphene manufacturing
DK11168749.7T DK2392547T3 (en) 2010-06-07 2011-06-06 Process for producing graphene
US13/154,920 US9067796B2 (en) 2010-06-07 2011-06-07 Method of graphene manufacturing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL391416A PL213291B1 (en) 2010-06-07 2010-06-07 Method for graphene preparation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL391416A1 PL391416A1 (en) 2011-12-19
PL213291B1 true PL213291B1 (en) 2013-02-28

Family

ID=44759809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL391416A PL213291B1 (en) 2010-06-07 2010-06-07 Method for graphene preparation

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9067796B2 (en)
EP (1) EP2392547B1 (en)
JP (1) JP5662249B2 (en)
KR (1) KR101465452B1 (en)
CN (1) CN102933491B (en)
DK (1) DK2392547T3 (en)
PL (1) PL213291B1 (en)
WO (1) WO2011155858A2 (en)

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8940576B1 (en) * 2011-09-22 2015-01-27 Hrl Laboratories, Llc Methods for n-type doping of graphene, and n-type-doped graphene compositions
CN102583329B (en) * 2012-01-03 2013-08-14 西安电子科技大学 Preparation method for large-area graphene based on Cu film auxiliary annealing and Cl2 reaction
JP5885198B2 (en) * 2012-02-28 2016-03-15 国立大学法人九州大学 Method for producing graphene thin film and graphene thin film
CN103367121B (en) * 2012-03-28 2016-04-13 清华大学 The preparation method of epitaxial structure
DK2836460T3 (en) * 2012-04-09 2022-10-10 Univ Ohio PROCEDURE FOR MANUFACTURE OF THE GRAPH
CN103378223B (en) * 2012-04-25 2016-07-06 清华大学 The preparation method of epitaxial structure
PL224447B1 (en) 2012-08-25 2016-12-30 Advanced Graphene Products Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością Method for separating graphene from the liquid matrix
US9059013B2 (en) * 2013-03-21 2015-06-16 International Business Machines Corporation Self-formation of high-density arrays of nanostructures
US20150005887A1 (en) * 2013-06-30 2015-01-01 International Business Machines Corporation Intrinsically lubricated joint replacement materials, structure, and process
JP2015040156A (en) * 2013-08-23 2015-03-02 日本電信電話株式会社 Graphene formation method and formation apparatus
JP6002106B2 (en) * 2013-09-30 2016-10-05 日本電信電話株式会社 Silicon carbide optical waveguide device
JP5960666B2 (en) * 2013-09-30 2016-08-02 日本電信電話株式会社 Silicon carbide waveguide device
EP2865646B8 (en) 2013-10-28 2016-07-27 Advanced Graphene Products Sp. z o. o. Method of producing graphene on a liquid metal
US9284640B2 (en) 2013-11-01 2016-03-15 Advanced Graphene Products Sp. Z.O.O. Method of producing graphene from liquid metal
CN104805505A (en) * 2014-01-24 2015-07-29 泉州市博泰半导体科技有限公司 Method for preparing target thin film layer
CN103864064A (en) * 2014-03-06 2014-06-18 新疆大学 Method for preparing nitrogen-doped graphene
US10562278B2 (en) * 2014-05-30 2020-02-18 University Of Massachusetts Multilayer graphene structures with enhanced mechanical properties resulting from deterministic control of interlayer twist angles and chemical functionalization
CN104404620B (en) * 2014-12-01 2017-05-17 山东大学 Method for simultaneously growing graphene on silicon surface and carbon surface of large-diameter 6H/4H-SiC
CN104477899B (en) * 2014-12-12 2016-05-25 重庆墨希科技有限公司 A kind ofly prepare the fixture of Graphene and prepare the method for Graphene
CN105984865A (en) * 2015-02-11 2016-10-05 中国科学院物理研究所 Crucible for graphene growth through silicon carbide platelet pyrolysis
CN104726845B (en) * 2015-03-05 2018-05-01 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 The preparation method of the upper graphene nanobelts of h-BN
EP3070754A1 (en) 2015-03-17 2016-09-21 Instytut Technologii Materialów Elektronicznych A Hall effect element
EP3106432B1 (en) * 2015-06-18 2017-07-19 Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesmisterium für Wirtschaft und Energie, endvertreten durch den Präsidenten der PTB Method for producing graphene
US10850496B2 (en) 2016-02-09 2020-12-01 Global Graphene Group, Inc. Chemical-free production of graphene-reinforced inorganic matrix composites
EP3222580A1 (en) 2016-03-21 2017-09-27 Instytut Technologii Materialów Elektronicznych Method for passivating graphene
CN107845567A (en) * 2017-09-25 2018-03-27 重庆文理学院 Graphene double heterojunction and preparation method thereof
CN107500277B (en) * 2017-09-27 2019-12-24 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Graphene boundary regulation and control method
US11629420B2 (en) 2018-03-26 2023-04-18 Global Graphene Group, Inc. Production process for metal matrix nanocomposite containing oriented graphene sheets
CN109437148B (en) * 2018-11-02 2020-10-02 山东天岳先进材料科技有限公司 Method for preparing high-purity carbon material from silicon carbide crystal growth residues
CN109852944B (en) * 2019-01-25 2020-08-04 中国科学院半导体研究所 Graphene preparation method based on microwave plasma chemical vapor deposition
CN110184585B (en) * 2019-06-25 2023-04-18 福建闽烯科技有限公司 Preparation method and device of graphene copper powder
CN112978718B (en) * 2021-03-12 2022-04-12 上海瑟赫新材料科技有限公司 Reaction furnace for preparing graphene

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005019104A2 (en) * 2003-08-18 2005-03-03 President And Fellows Of Harvard College Controlled nanotube fabrication and uses
US7230274B2 (en) * 2004-03-01 2007-06-12 Cree, Inc Reduction of carrot defects in silicon carbide epitaxy
DE102005045339B4 (en) * 2005-09-22 2009-04-02 Siltronic Ag Epitaxial silicon wafer and process for producing epitaxially coated silicon wafers
US7619257B2 (en) * 2006-02-16 2009-11-17 Alcatel-Lucent Usa Inc. Devices including graphene layers epitaxially grown on single crystal substrates
JP4804272B2 (en) * 2006-08-26 2011-11-02 正義 梅野 Method for producing single crystal graphite film
WO2009054461A1 (en) * 2007-10-23 2009-04-30 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Heat radiation structure and process for production thereof, heat sink and radiator, heater and susceptor, ceramic filter and process for production thereof, and ceramic filter and diesel particulate filter for exhaust gas purification
JP5578639B2 (en) * 2008-08-04 2014-08-27 住友電気工業株式会社 Graphite film manufacturing method
WO2010023934A1 (en) * 2008-08-28 2010-03-04 国立大学法人名古屋大学 Method for producing graphene/sic composite material and graphene/sic composite material obtained by same
US20100255984A1 (en) * 2009-04-03 2010-10-07 Brookhaven Science Associates, Llc Monolayer and/or Few-Layer Graphene On Metal or Metal-Coated Substrates
CN101602503B (en) * 2009-07-20 2011-04-27 西安电子科技大学 Method for graphene epitaxial growth on 4H-SiC silicon surface
US8709881B2 (en) * 2010-04-30 2014-04-29 The Regents Of The University Of California Direct chemical vapor deposition of graphene on dielectric surfaces
US9150417B2 (en) * 2010-09-16 2015-10-06 Graphensic Ab Process for growth of graphene

Also Published As

Publication number Publication date
JP5662249B2 (en) 2015-01-28
KR20130040904A (en) 2013-04-24
EP2392547B1 (en) 2018-12-26
DK2392547T3 (en) 2019-04-15
KR101465452B1 (en) 2014-11-26
JP2011256100A (en) 2011-12-22
PL391416A1 (en) 2011-12-19
EP2392547A3 (en) 2012-01-04
CN102933491A (en) 2013-02-13
US9067796B2 (en) 2015-06-30
WO2011155858A2 (en) 2011-12-15
WO2011155858A3 (en) 2012-03-01
EP2392547A2 (en) 2011-12-07
US20110300058A1 (en) 2011-12-08
CN102933491B (en) 2016-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
PL213291B1 (en) Method for graphene preparation
US9355842B2 (en) Direct and sequential formation of monolayers of boron nitride and graphene on substrates
JP6567208B2 (en) Direct and continuous formation of boron nitride and graphene on substrates
Miao et al. Chemical vapor deposition of graphene
Zhang et al. Influence of carbon in metalorganic chemical vapor deposition of few-layer WSe 2 thin films
Nyakiti et al. Enabling graphene-based technologies: Toward wafer-scale production of epitaxial graphene
Mishra et al. Rapid and catalyst-free van der Waals epitaxy of graphene on hexagonal boron nitride
US20140374960A1 (en) Method for producing a graphene film
Robinson et al. Argon-assisted growth of epitaxial graphene on Cu (111)
Yuan et al. Realization of quantum Hall effect in chemically synthesized InSe
JP2013067549A (en) Method for forming thin film
Chubarov et al. Initial stages of growth and the influence of temperature during chemical vapor deposition of sp2-BN films
Arai et al. Non-catalytic heteroepitaxial growth of aligned, large-sized hexagonal boron nitride single-crystals on graphite
Zhang et al. Stripe distributions of graphene-coated Cu foils and their effects on the reduction of graphene wrinkles
Liu et al. Chemical vapor deposition graphene of high mobility by gradient growth method on an 4H-SiC (0 0 0 1) substrate
TWI736556B (en) Epitaxial growth of defect-free, wafer-scale single-layer graphene on thin films of cobalt
Jafari et al. Growth and characterization of boron doped graphene by Hot Filament Chemical Vapor Deposition Technique (HFCVD)
Maeda et al. Molecular beam epitaxial growth of graphene using cracked ethylene—Advantage over ethanol in growth
Mendoza et al. Hot Filament Chemical Vapor Deposition: Enabling the Scalable Synthesis of Bilayer Graphene and Other Carbon Materials
Choudhury et al. Scalable synthesis of 2D materials
Wang et al. Catalyst‐free Growth Mechanism and Structure of Graphene‐like Nanosheets Formed by Hot‐Filament CVD
Liang et al. The structural evolution of nanocrystalline diamond films synthesized by rf PECVD
Liu et al. Direct growth of hBN/Graphene heterostructure via surface deposition and segregation for independent thickness regulation
Rodríguez-Villanueva et al. Graphene Growth Directly on SiO2/Si by Hot Filament Chemical Vapor Deposition. Nanomaterials 2022, 12, 109
Iokawa et al. Direct Growth of Carbon Nanotubes on ZnO (0001̄) Substrate Surface using Alcohol Gas Source Method in High Vacuum